Espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN)

Fuente: Laboratorio del Dr. Henrik Sundén, Chalmers University of Technology

Espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) es una técnica de análisis fundamental para químicos orgánicos. Con la ayuda de la RMN, se ha facilitado enormemente el trabajo en el laboratorio orgánico. No sólo puede proporcionan información sobre la estructura de una molécula sino que también determinar el contenido y pureza de una muestra. En comparación con otras técnicas comúnmente encontradas para químicos orgánicos, como el análisis térmico y espectrometría de masas (MS), NMR es un método no destructivo que es valioso cuando la recuperación de la muestra es importante.

Una de las más utilizadas técnicas NMR de un químico orgánico es NMR del protón (¹H). Los protones presentes en una molécula se comportan diferentemente dependiendo de su entorno químico, lo que permite dilucidar su estructura. Por otra parte, es posible supervisar la realización de una reacción mediante la comparación de espectros de RMN del material de partida que el producto final.

Este video ejemplifica como espectroscopia NMR puede ser utilizada en el trabajo diario de un químico orgánico. Aparecerá lo siguiente: i) preparación de una muestra de NMR. II) con ¹H RMN para supervisar una reacción. III) identificar el producto obtenido de una reacción con ¹H NMR. La reacción que se mostrará es la síntesis de un E- chalcona (3) de un (1) de aldehído y una cetona (2) (esquema 1). ¹

Esquema 1. Síntesis de (2E)-3-(4-methoxyphenyl)-1-(4-methylphenyl)-2-propen-1-one.

Núcleos con masa impar o número atómico tendrá una propiedad llamada spin, lo que es posible usar NMR para detectar elementos como el hidrógeno (¹H), carbono (¹³C) y fósforo (³¹P). Las vueltas son al azar y gira en direcciones al azar; sin embargo, al aplicar un campo magnético externo estos núcleos se alinean con o contra el campo magnético aplicado. Estos dos Estados tienen diferentes niveles de energía: un estado de bajo consumo de energía y un estado de alta energía. Irradiación con radiación electromagnética hará que el estado de baja energía a voltear al estado de alta energía. Cuando la radiación es cesada, los núcleos se someterán a la relajación y se obtiene un decaimiento de inducción libre (FID). La FID es que la transformada de Fourier a los picos del espectro NMR. Diferentes elementos tendrán diferentes frecuencias a diferentes cambios químicos (tabla 1). Los espectros de RMN pueden proporcionar diferentes tipos de información acerca de un compuesto; la integral de un pico de proporciona el número de protones representados por él, el acoplamiento constante (J-acoplamiento) da la correlación de los protones y el patrón de división de un pico dice cuántos otros núcleos activos NMR están cercanas (a menudo referido como 'vecinos').

Desde núcleos de ¹H NMR medidas ¹H es importante utilizar disolventes deuterados; de lo contrario la señal de interés se perderá en el ruido de la señal del solvente.

Tabla 1. Común protón y carbono NMR cambios químicas. ²

1. preparación de la RMN a partir de Material

1. Añadir ~ 10 mg a partir de material a un tubo limpio de NMR.
2. Disolver el material de partida en disolventes deuterado mL de ~0.7 (ejemplo CDCl₃). Una altura adecuada del solvente para un buen espectro es de 4.5-5 cm.
3. Cerrar el tubo NMR cuidadosamente y escriba el nombre de la muestra en la tapa.
4. Agite la muestra suavemente para asegurar que todo el material se había disuelto. Tenga cuidado para evitar el contacto entre el solvente y la tapa, que podría conducir a la posible contaminación de la muestra.
5. Inserte el tubo NMR cuidadosamente en un spinner. La ruleta girará una vez insertado en el imán para asegurar que toda la muestra experimenta un campo magnético homogéneo. Limpie el exterior del tubo NMR y spinner con 2-propanol y laboratorio de los tejidos para eliminar las huellas dactilares y la suciedad.
6. Lugar la ruleta en una profundidad de la muestra calibrador para asegurar que la parte inferior del tubo NMR no se inserta demasiado lejos en la sonda NMR, ya posiblemente podría dañar el espectrómetro. Diferentes sondeos con profundidades diferentes de la muestra y el usuario debe ser consciente de la galga de profundidad específicos.
7. Colocar la muestra en el espectrómetro de RMN. Aquí se utilizó un espectrómetro Varian de 400 MHz, equipado con un automuestreador.
8. Después de la terminación de la medición de RMN, el espectro del proceso y asignar los picos en el espectro.

2. preparación de NaOH de 3 M y síntesis de chalcona

1. Añadir 60 mg NaOH a un matraz aforado de 50 mL.
2. Disolver el NaOH añadiendo agua desionizada a la mitad del frasco. Diluir la solución aún más añadiendo más agua hasta llega a la marca.
3. Añadir 10 mL de etanol a un matraz de fondo redondo de 50 mL equipado con una barra de agitación magnética.
4. Después de eso, añadir 680,5 mg 4-metoxi y 5 mL de solución de NaOH preparada en el paso 2.1 en el mismo matraz.
5. Añadir 671 mg 4-Metilacetofenona posteriormente a la solución agitada y tapa el frasco y agitar a temperatura ambiente.
6. Supervisar el progreso de la reacción por ¹H NMR a intervalos de 30 min (ver paso 3) hasta su consumo completo de materiales de partida.
7. Añadir 5 mL de agua cuando la reacción ha alcanzado terminación (3 h). El precipitado resultante del filtro y lavar con 20 mL de etanol/agua 1:2. Airee el precipitado seco.
8. Calcular el rendimiento del producto obtenido. Preparar una muestra de NMR según paso 1.2.2.7. Compruebe la pureza con ¹H NMR. Si no puro, purificar el producto a través de recristalización con etanol.
9. Agregar aproximadamente 3 gotas de mezcla de reacción en un tubo de NMR utilizando una pipeta Pasteur y enjuague la pipeta con disolventes deuterados.
10. Repita los pasos 1,2 – 1,8.

3. breve interpretación de un espectro de RMN

1. Proceso el espectro con un programa adecuado (ejemplo MestReNova).
2. Correlacionar los diferentes picos a los NMR cambios en la tabla 1. Los cambios químicos da una pista de qué tipo de ambiente los protones existe en.
3. Integrar las cumbres para dar el número de hidrógenos correspondientes a cada pico. Integración de todos los picos da un número relativo de protones total.
4. Evaluar la separación de los picos de protones, que indican el número de vecinos.
5. Medir el acoplamiento J para ver cómo los protones están conectados entre sí.

Comparando los espectros de las materias primas (figuras 1 y 2) para el producto final (figura 5) una clara diferencia entre los espectros puede observarse, lo que indica la formación de la chalcona. Puede ser el punto final de la reacción determina tomando NMR muestras a diferentes intervalos de tiempo; por ejemplo, el pico del protón de aldehído (C(=O)H) (1) puede verse en la figura 3 pero no en la figura 4, lo que significa la terminación de la reacción después de 3 horas. Observando los integrales, división patrones y J-acoplamientos de los picos, es posible validar la estructura de la chalcona. Los integrales de los picos (números bajo el pico, figura 5) muestran la cantidad relativa de hidrógenos presentes que deben se correlacionan con la cantidad de hidrógenos que se encuentran en el producto. Además, el patrón de división da una indicación del número de vecinos; por ejemplo, pico (5) y (1) — ambas camisetas, indican no hay vecinos cercanos con integrales de 3 se correlaciona con el MeO - y el grupo Me respectivamente. Comparando el producto químico cambios en los espectros con la tabla 1 es posible dilucidar que el MeO grupo corresponde a la camiseta en 3,80 ppm y el Me-grupo a 2,45 ppm. Por otra parte, la formación del enlace doble puede verse como dos dobletes (figura 5), ppm 7,80 y 7.44. Mirando el acoplamiento J de 16 Hz indica la formación de un E-alkene; el Z-alkene típicamente tiene un menor valor de 10 a 12 Hz.³ asignar los picos aromáticos verifica la estructura (figura 5). ⁴

Figura 1. Asignado ¹H NMR espectros de 4-Metilacetofenona haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. Asignado ¹espectros H NMR de 4-metoxi. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. Crudo ¹espectros H NMR después de 30 minutos que muestra el pico de aldehído residual. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4. Crudo ¹espectros H NMR después de 3 horas no mostrando ningún pico residual de aldehino. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5. ¹ H NMR espectros del producto obtenido después del trabajo. La imagen insertada muestra la J -acoplamientos de alkene. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

NMR se puede, por ejemplo, utilizado para detectar productos intermedios de reacción, facilitando el trabajo de elucidación de un mecanismo de reacción. Con la ayuda de la RMN también es posible observar las interacciones y movimientos moleculares importantes para el desarrollo de fármacos. Además, NMR puede dar información estructural sobre materiales sólidos; por ejemplo para proporcionar un fundamento para las propiedades del material observadas. Otras aplicaciones de la RMN pueden encontrarse en el campo de la medicina, donde la proyección de imagen de resonancia magnética (MRI) se utiliza con frecuencia para el diagnóstico médico. NMR también se ha utilizado en metabolómica para detectar diferentes metabolitos excretados por el organismo proporcionando una huella metabólica. Los usos de NMR son anchos; de determinar la estructura de una sola molécula a la proyección de imagen del cerebro humano.

1. Ta, L., Axelsson, A., Bijl, J., Haukka, M., Sundén, H., Ionic Liquids as Precatalysts in the Highly Stereoselective Conjugate Addition of α,β-Unsaturated Aldehydes to Chalcones. Chem. Eur. J. 20 (43), 13889-13893 (2014).
2. Table adapted from Graham Solomons, T. W. Fryhle, C. B., Organic Chemistry, 10^th edition, Wiley, p. 387, 418 (2011).
3. Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., Wothers, P. Proton nuclear magnetic resonance. Organic Chemistry, Chapter 11, Oxford University Press, 269 (2001).
4. Wu, X.-F., Neumann, H., Spannenberg, A., Schulz, T., Jiao, H., Beller, M.,Development of a General Palladium-Catalyzed Carbonylative Heck Reaction of Aryl Halides. J. Am. Chem. Soc. 132 (41), 14596-14602 (2010).